基于ZigBee技術的列車狀態信息電子采集系統

霍躍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司, 陜西， 西安 710000)

0 引言

隨著物聯網技術的快速發展，其在建筑、物流、交通運輸等領域得到越來越多的應用。我國鐵路系統正向著信息化、智能化方向發展，從而提升鐵路運輸與管理效率，因此,列車狀態的網絡化檢測與監控對于保障列車運行的可靠性具有重要意義[1]。將物聯網技術應用于列車狀態檢測將成為列車監測的重要手段之一。本文對列車狀態監測的網絡模型進行改進，引入自適應學習算法，以提升狀態檢測網絡的穩定性和數據傳輸效率，并給出了具體的網絡節點的硬件電路設計和軟件設計流程，通過性能測試驗證了該網絡模型的有效性，具有一定的工程應用價值。

1 物聯網絡模型

為了實現數據的可靠傳輸，結合列車空間分布特點，采取分布式拓撲網絡模型，對傳感器采集節點進行優化布置。物聯網拓撲結構模型如圖1所示。模型中的邊向量表示(u,v)∈E，設定溫度、適度、壓力等傳感器獲取的樣本集合滿足設定條件cjTc

(1)

式中，d1(x1,x2)表示當x1處于候選簇的首位時x1和x2兩個中繼節點間的距離值，d1(x2,x1)表示當x2處于候選簇的首位時x1和x2兩個中繼節點間的距離值。

圖1 物聯網拓撲結構模型

假設t時刻中繼節點x1和x2的離散型采集序列表示為x1(t)和x2(t)，離散采集序列的推導公式[3]為

(2)

式中，ε表示離散信息，a表示疊加權系數。利用分布式結構的路由布置方法，對物聯網模型進行模糊推斷和決策，獲得自適應學習模型，推導公式為

(3)

物聯網數據收發控制主要包括對終端節點和路由的數據收發和轉發控制。在物聯網分布模型的基礎上，選用自適應輪換算法實現對數據的調度，優化網絡節點的自適應部署和定位，利用數據的統計特征值設計路由轉發控制協議[5]。網絡節點進行自適應輪換時，其優化調度控制模型的描述公式為

(4)

式中，ω(t)表示控制數據收發轉換的系數值，通過自適應學習，獲得網絡節點的輸出數據特征值統計公式：

(5)

式中，ai表示網絡節點的數據流量權重系數，z表示網絡節點的數目。利用自適應輪換和深度學習算法，將物聯網模型的數據輸出控制問題轉化成為對數據的二乘規劃問題，從而提升網絡數據傳輸控制的穩定性和自適應能力[6]，其轉換映射關系為

(6)

2 網絡節點硬件設計

無線物聯網絡主要由大量網絡節點構成，其網絡節點主要包括路由器和終端采集節點兩類，一般將路由器和終端采集節點采用相似結構設計，網絡節點硬件結構如圖2所示。路由器在網絡中充當父節點的作用，當網絡深度不小于3時，路由器可對子節點發送的數據進行收集和整合，轉發至協調器，同時可將協調器下發的信息分發至各個終端采集節點[7-8]。與路由器相比，終端采集節點基本電路組成類似，但不具備路由功能，僅負責傳感器的數據采集與傳輸。

圖2 網絡節點硬件結構

網絡節點中的主控芯片選用TI公司的CC2530[9]，CC2530芯片及外圍電路如圖3所示。該芯片內核集成了一個MCU處理器，具備8通道的ADC轉換模塊，擁有21個通用型的I/O端口，內部配置了FLASH可編程存儲器。該芯片具有良好的信號收發靈敏度和低功耗特性，在射頻收發模塊中得到廣泛應用。終端采集節點連接的傳感器主要包括溫濕度傳感器、壓力傳感器、紅外傳感器。其中，溫濕度傳感器選用信號為SHT75，負責對列車車廂中的空氣溫濕度采集，采用一根數據線和一根時鐘線，實現與CC2530的數據通信，利用時鐘信號線的同步，通過單根數據線實現傳感器數據由溫濕度傳感器向CC2530的單向傳輸[10]。壓力傳感器選擇CYYZ16-P型號壓力傳感器，用于檢測列車軸承制動氣壓值，其采集數據通過P0.7端口輸入至CC2530。紅外測溫傳感器選用型號為MLX90640，實現對軸承的非接觸測溫，有效測量溫度范圍是-70～380 ℃，測量精度可達到0.1 ℃。

圖3 CC2530模塊電路

3 系統軟件設計

系統軟件包括路由器節點軟件和終端采集節點軟件2個主要部分，采用IAR開發軟件和協議棧對2部分的程序進行設計。

3.1 協調器程序設計

在ZigBee物聯網絡中，協調器起到節點間互相協調和通信的中轉介質作用，負責網絡節點的加入和剔除，管理信號傳輸信道，控制對其他終端節點的參數配置和通斷。通過事件的輪詢管理，在網絡數據傳輸過程中保持協調器節點處于工作狀態。當其檢測到終端采集節點發送的數據時，則會調用接收函數，并將接收到的數據通過串口發送至GPRS模塊，將其傳送至遠程的上位機PC端，協調器程序流程如圖4所示。

圖4 路由器程序流程

3.2 網絡節點程序設計

網絡節點包括路由器和終端節點2種形式。當網絡節點加入物聯網絡后，則執行輪詢函數，當到達數據彩金時刻，路由器和采集終端執行傳感器數據的采集和發送，并將數據最終發送至協調器。充當路由的網絡節點除了具備傳感器數據采集的功能外，同時作為中繼節點，還具有與協調器相同的信息接收機制，通過運行接收函數，將接收到的數據進行轉發。網絡節點程序流程如圖5所示。

圖5 網絡節點程序流程

4 系統性能測試

為測試網絡節點數據傳輸的穩定性和傳輸速度，搭建數據包傳輸測試平臺，以模擬列車車廂間的數據傳輸效果。模擬系統共配置5個網絡節點，其中一個節點設定為協調器，另一個節點設定為路由器，其他3個節點設定為終端采集節點。利用TI公司發布的Packet Sniffer數據包測試軟件進行數據傳輸性能測試。

為測試數據傳輸的穩定性，對相同發送狀態下的數據進行連續20 h的抓包測試，統計數據傳輸的丟包率。在不同通信距離情況下，統計系統丟包率如表1所示。由統計結果可知，在通信距離50 m內，數據丟包率保證在0.1%，列車的

通信距離/m丟包率/%15<0.130<0.150<0.1100<0.4200<0.6

每節車廂長度在15 m左右，該系統可滿足相鄰車廂中網絡節點之間的通信穩定性。

數據傳輸速率是無線物聯網絡的另一個重要性能指標，為測試系統的數據傳輸速率，對比測試本文網絡模型與傳統方法的數據傳輸時間開銷，統計時間開銷與傳輸數據量之間的關系，統計結果如圖6所示。由圖6可知，本系統采用了自適應輪換調度，與傳統方法相比，數據傳輸消耗的時間更短，傳輸效率明顯得到提高。

圖6 時間開銷測試結果

5 總結

本文通過自適應物聯網模型實現對列車狀態信息的實時采集和傳輸，實現對列車信息的網絡化管理與控制，從而提升對列車狀態監測的穩定性和高效性。本文給出了具體的網絡模型和關鍵網絡節點的設計方案，該方案具有靈活性、低功耗和網絡容量大的優點。通過模擬測試驗證了方案的穩定性和快速性，具備一定的工程參考價值。